Глава 9 Время – это неведение

Не выпытывай,

как ты или я дни окончим,

Левконоя, –

это сокрыто от нас с тобой –

и не гадай ты на числах мудреных

(i 11)

Есть время рождаться и время умирать, время плакать и время танцевать, время убивать и время лечить. Время разрушать и время строить[94]. До сих пор все это было время разрушать время. Теперь наступает время собирать время нашего опыта. Искать его источники. Понять, откуда оно взялось.

Если в элементарной динамике мира все переменные эквивалентны, то что же мы, люди, называем “временем”? Что измеряют мои часы? Что всегда бежит вперед и никогда не возвращается вспять? И почему? Пусть этого не будет в элементарной грамматике мира, согласен, но что это?

Многие вещи не составляют части элементарной грамматики мира, а просто “возникают” каким-то образом. Вот примеры.

• Кот – это вовсе не часть элементарных ингредиентов нашего мира. Он сложный комплекс, который раз за разом возникает в различных частях нашей планеты.

• Группа мальчишек на лугу. Хотят посоревноваться. Разбиваются на команды. Мы поступим так: пусть двое самых предприимчивых выбирают себе партнеров, выигрывая право выбора очередного игрока в чет и нечет. В конце этой торжественной процедуры получаем две команды. Где же они были перед началом всей церемонии? Нигде. Они возникли как ее результат.

• Откуда взялись понятия “верх” и “низ”, которые так хорошо нам знакомы, но которых нет в элементарных уравнениях нашего мира? От Земли, на которой мы живем. “Верх” и “низ” – это что-то такое, что возникает при некоторых обстоятельствах во Вселенной. В частности, благодаря близости значительных масс.

• Высоко в горах мы смотрим на белое облако, оно заполняет долину, словно море. Его поверхность лучиста и ясна. Мы спускаемся в долину. Воздух теряет прозрачность и становится влажным, небо уже не голубое, вокруг – неплотный туман. Куда делась ясная поверхность облака? Она исчезла. Исчезновение было постепенным: нет никакой поверхности, которая отделяла бы туман от прозрачного воздуха на высоте. Это была иллюзия? Нет, это был взгляд издалека. Если немножко подумать, то мы поймем, что так происходит с любой поверхностью. Этот стол из плотного мрамора покажется мне облаком, если я стану маленьким как атом. Сфумато затянет все в мире, если на него взглянуть вблизи. А где именно кончается гора и начинается равнина? Где кончается пустыня и начинается саванна? Мы режем мир толстыми ломтями. Мы понимаем мир в терминах, значимых для нас, он возникает в каком-то определенном масштабе.

• Мы видим, как небо вращается вокруг нас изо дня в день, но ведь на самом деле это вращаемся мы сами. Привычное зрелище вращающейся Вселенной – иллюзия? Нет, это реальность, но в ней не только космос. В ней также наши отношения с Солнцем и звездами. Мы понимаем это, задавшись вопросом: а как движемся мы? Вращение космоса возникает из отношения между космосом и нами.

Во всех этих примерах нечто реальное – кот, команда мальчишек, верх и низ, поверхность облака, вращение космоса – все возникает из мира, в котором на каком-то более простом уровне нет ни котов, ни футбольных команд, ни верха и низа, ни поверхности облака, ни вращения космоса… Время каким-то образом возникает в мире без времени, подобно тому как нечто возникает в каждом из приведенных примеров.

Реконструкция времени начинается именно здесь, двумя главами – этой и следующей; они короткие и носят технический характер. Если вы найдете их слишком сложными, смело переходите сразу к главе 11. Оттуда мы будем шаг за шагом возвращаться к более “человеческим” предметам.

Термическое время

В безумии молекулярного термического перемешивания всего со всем непрерывно изменяются все переменные, какие только могут изменяться.

Однако есть одна, которая не изменяется, – полная энергия системы (изолированной). Между энергией и временем есть строгая связь. Энергия и время образуют характерную пару величин, такие пары физики называют “сопряженными”, – как положение и импульс или направление и величина углового момента. Оба члена такой пары привязаны друг к другу. С одной стороны, знать, что такое энергия системы[95] – как она связана с другими переменными, – это то же самое, что знать, как течет время, потому что уравнения, описывающие эволюцию системы во времени, следуют из выражения для ее полной энергии[96]. С другой стороны, энергия сохраняется во времени, то есть не может изменяться даже тогда, когда изменяется все остальное. В своем тепловом возбуждении система[97] проходит через все возможные конфигурации, обладающие данной энергией, но только через них. Совокупность всех таких конфигураций – их наше расфокусированное макроскопическое зрение не различает – это и есть “состояние (макроскопического) равновесия”: безмятежный стакан с холодной водой.

Обычный способ интерпретировать связь между равновесием и временем заключается в том, чтобы понимать время как нечто абсолютное и объективное; энергия – это то, что управляет эволюцией системы во времени; система в состоянии равновесия перемешивает различные конфигурации с одним и тем же значением энергии. По общему соглашению логика интерпретации этих связей такова:

время ? энергия ? макроскопическое состояние[98][99].

Но те же самые связи можно прочитать иначе – в противоположном направлении. То есть наблюдение лишь макроскопического состояния, что означает позволить перемешиваться всем переменным, ни одна из которых не сохраняется, или – смотреть на мир расфокусированным взором, может интерпретироваться как перемешивание, сохраняющее энергию, а она, в свою очередь, порождает время:

макроскопическое состояние ? энергия ? время[100].

Такой взгляд открывает новую перспективу: в элементарной физической системе, где нет никакой привилегированной переменной, которая вела бы себя как “время”, где все переменные – одного уровня, но на которую мы смотрим своим расфокусированным взором и видим только макроскопические состояния, в такой системе обобщенное макроскопическое состояние определяет время.

Повторю этот момент, поскольку он ключевой: всякое макроскопическое состояние (не учитывающее деталей) дает нам какую-то особую переменную, обладающую некоторыми характеристиками времени.

Иными словами, время возникает просто из расфокусированности взгляда. Больцман понял, что тепловое поведение есть следствие размытия картины: оно рождается из того факта, что внутри стакана с водой есть целое море микроскопических переменных, которые остаются нам невидимы. Число всех возможных микроскопических состояний этой воды – это ее энтропия. Но справедливо также нечто большее: само по себе размытие картины порождает особую переменную – время.

В фундаментальной релятивистской физике, где никакая переменная априори не играет роли времени, мы вольны повернуть вспять взаимосвязь между макроскопическим состоянием и эволюцией во времени: не эволюция системы во времени определяет ее состояние, а состояние, размытая картина, определяет время.

Время, определенное таким образом на основании макроскопического состояния, называется “термическим”. В каком смысле оно является временем? С микроскопической точки зрения в нем нет ничего специального, это такая же переменная, как и любая другая. Но с макроскопической точки зрения у нее есть решающее дело свойство – среди огромного количества переменных одного и того же уровня только термическое время ведет себя сходным образом с тем, что мы привыкли называть “временем”, так как его связи с макроскопическими состояниями в точности таковы, как их описывает термодинамика.

Но это вовсе не универсальное время. Оно рождено единственным макроскопическим состоянием, то есть какой-то одной размытой картиной, неполнотой какого-то определенного описания системы. В следующей главе мы обсудим происхождение этой расфокусировки. Но сперва сделаем другой шаг, приняв во внимание квантовую механику.

Квантовое время

Роджер Пенроуз – один из самых ярких ученых среди тех, кто занимается проблемами пространства и времени[101]. Он пришел к выводу, что релятивистская физика не может считаться несовместимой с нашим ощущением текучего времени, но и не представляется достаточной, чтобы его объяснить. Он предположил, что недостающее звено можно получить, приняв во внимание квантовое взаимодействие[102]. Величайший французский математик Ален Кон нашел выразительный способ продемонстрировать роль, которую квантовое взаимодействие играет в рождении времени.

Когда вследствие взаимодействия у молекулы появляется какая-то конкретная координата, ее состояние изменяется. То же самое справедливо и в отношении скорости. Если конкретизация скорости предшествует конкретизации положения, состояние молекулы оказывается отличным от того, в котором она будет находиться, если сроки двух событий поменять местами. Порядок имеет значение. Если я измеряю сначала положение электрона, а потом его скорость, его состояние изменится иначе, чем при измерении сначала скорости, а потом положения.

Это называется “некоммутативностью” квантовых переменных, потому что положение и скорость “не коммутируют” – в том смысле, что их измерения нельзя безнаказанно менять местами. Некоммутативность определяет очередность и, следовательно, зародыш временн?й зависимости в определении физических величин. Определить физическую величину – это не изолированный акт, определение подразумевает взаимодействие. Результат таких взаимодействий зависит от их очередности, и в этой очередности – уже простейшая форма временны?х сроков.

Вполне возможно, что именно сам факт зависимости результата взаимодействий от их очередности образует корень временн?й последовательности событий в мире. В этом и состоит феноменальная идея, предложенная Коном: первый зародыш временн?го характера элементарных квантовых переходов заключен в том факте, что они естественно (частично) упорядочены.

Кон дал и утонченную, изысканно математическую версию этой идеи: показал, что разновидность временн?го потока неявно определена некоммутативностью физических переменных. По причине такой некоммутативности совокупность физических переменных системы образует математическую структуру, известную как “некоммутативная алгебра фон Неймана”, и Кон показал, что такие структуры содержат в себе неявно определенный поток[103].

Что удивительно, существует непосредственная связь между потоком, определенным Аленом Коном для квантовых систем, и термическим временем. Кон доказал, что в квантовой системе термические потоки, определяемые различными макроскопическими состояниями, эквивалентны с точностью до некоторых внутренних преобразований симметрии[104] и все вместе образуют в точности поток Кона[105]. Выражаясь проще: и время, определяемое по макроскопическим состояниям, и время, определяемое из квантовой некоммутативности, оказываются разными аспектами одного и того же феномена.

Именно это самое термическое время, оно же квантовое, по моему глубокому убеждению, и есть та самая переменная, которую мы называем “временем” в нашей реальной Вселенной, где никакой переменной “время” на фундаментальном уровне не существует.

Присущая квантовому миру неопределенность рождает расфокусированность, больцмановскую размытость, которая гарантирует – вопреки всему, что подразумевается классической физикой, – непредсказуемость мира, неизбывную даже тогда, когда все, что могло быть измерено, будет измерено.

Оба источника размытости – и то, что всякая физическая система состоит из миллиардов молекул, и квантовая неопределенность – складываются в сердце времени. Темпоральность на самом глубоком уровне связана с расфокусировкой. А расфокусировкой мы называем факт своего принципиального незнания мира на уровне его микроскопических деталей. Физическое время при окончательном анализе оказывается выражением нашего незнания мира. Время – это неведение.

Ален Кон вместе с двумя друзьями написал маленький научно-фантастический роман. Шарлотте, главному персонажу романа, удается на мгновение получить полную информацию о мире, без расфокусировки.

Шарлотта начинает видеть мир напрямую, за пределами времени:

Мне выпал немыслимый шанс воспринимать свое естество глобально, не в какой-то особый момент его существования, а, так сказать, целиком. Я могла сравнить его ограниченность в пространстве, с которой все легко мирятся, с его конечностью во времени, которая, напротив, вызывает так много эмоций.

И при возвращении во время:

Мне казалось, что я теряю всю бесконечную информацию квантовой картины, и этой потери было достаточно, чтобы неумолимо затягивать меня в реку времени.

Рождающееся при этом переживание – это переживание времени:

Это возникновение времени мне казалось каким-то вторжением, рождающим замешательство в мыслях, тревогу, страх, чувство растворения в чем-то внешнем[106].

Наша размытая и неопределенная картина реальности выделяет переменную, термическое время, которая обнаруживает некое особое свойство, уподобляющее эту переменную тому, что мы называем “временем”: она правильным образом связана с состояниями равновесия.

Термическое время связано с термодинамикой, то есть с теплом, но оно еще не полностью совпадает со временем нашего опыта, поскольку не делает различия между прошлым и будущим, у него нет направления, без которого мы не можем говорить о течении. Так что до времени нашего опыта мы пока не добрались.

Откуда же берется это различие прошлого и будущего, столь важное для нас?